Nghiên cứu bộ nguồn Front End cộng hưởng LLC

Nghiên cứu bộ nguồn Front End cộng hưởng LLC Nghiên cứu bộ nguồn Front End cộng hưởng LLC Nghiên cứu bộ nguồn Front End cộng hưởng LLC luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

I

MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN IV DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT V DANH MỤC CÁC BẢNG VI DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VII

MỞ ĐẦU X

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BỘ NGUỒN PHÂN TÁN 1

1.1 Giới thiệu về bộ nguồn phân tán với cấu trúc AC-DC-AC-DC 1

1.2 Điều chỉnh hệ số công suất (Power Factor Correction) 3

1.2.1 Giới thiệu chung về điều chỉnh hệ số công suất 3

1.2.2 Các phương pháp nâng cao hệ số công suất 3

(a) Điều chỉnh hệ số công suất tuyến tính 3

(b) Điều chỉnh hệ số công suất phi tuyến 4

(c) Chỉnh lưu tích cực 5

1.3 Bộ biến đổi nguồn DC – DC 5

1.3.1 Bộ biến đổi DC - DC không cách ly 6

1.3.2 Bộ biến đổi DC – DC có cách ly 6

1.3.3 Bộ biến đổi DC–DC cộng hưởng 7

(d) Bộ biến đổi cộng hưởng nối tiếp (Series Resonant Converter) 8

(e) Bộ cộng hưởng song song (Parallel Resonant Converter) 10

(f) Bộ biến đổi cộng hưởng nối tiếp-song song(Series-Parallel Resonant Converter) 12

1.4 Kết luận chương 15

CHƯƠNG 2 BỘ BIẾN ĐỔI CỘNG HƯỞNG LLC 16

2.1 Giới thiệu chung 16

2.2 Phân tích bộ biến đổi trong chế độ xác lập sử dụng phương pháp gần đúng sóng hài bậc nhất 17

2.3 Hoạt động của bộ biến đổi cộng hưởng LLC 24

2.3.1 Hoạt động của mạch tại tần số cộng hưởng 25

II

2.3.2 Hoạt động của mạch tại tần số nhỏ hơn tần số cộng hưởng 28

2.3.3 Hoạt động của mạch cộng hưởng LLC ở tần số cao hơn tần số cộng hưởng 29

2.3.4 Ưu điểm của bộ biến đổi cộng hưởng LLC 30

2.4 Kết luận chương 24

CHƯƠNG 3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI LLC 32

3.1 Đặt vấn đề 32

3.2 Phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) 33

3.3 Điều khiển dịch pha 34

3.4 Điều khiển tần số 37

3.1 Thực hiện phương pháp điều khiển tần số 38

3.1.1 Phương pháp dùng hàm mô tả (Describing Function) 40

3.1.2 Phương pháp thực nghiệm 40

3.1.3 Phương pháp mô phỏng 40

3.2 Kết luận chương 41

CHƯƠNG 4.: MÔ PHỎNG XÂY DỰNG ĐẶC TÍNH TẦN SỐ 42

4.1 Thông số mô phỏng 42

4.2 Khảo sát đặc tính tần số của mô hình tín hiệu nhỏ bộ biến đổi LLC 45

4.3 Sử dụng lênh Frestimate trong simulink để ước lượng đáp ứng tần số 46

4.3.1 Khái niệm về ước lượng đáp ứng tần số 47

(a) Sử dụng mô hình đáp ứng tần số 47

(b) Mô hình đáp ứng tần số 47

(c) Yêu cầu của mô hình 48

(d) Tín hiệu vào / ra ước lượng 49

4.3.2 Tạo tín hiệu đầu vào cho việc ước lượng 50

(a) Sử dụng tín hiệu đầu vào 50

(b) Tạo tín hiệu đầu vào dạng Sinestream 51

(c) Ước lượng đáp ứng tần số với tín hiệu đầu vào là sinestream 52

4.4 Thực hiện mô phỏng 54

III

4.5 Kết quả mô phỏng 58

4.6 Thiết kế bộ bù cho bộ biến đổi cộng hưởng LLC 62

4.7 Kết luận chương 67

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 68

TÀI LIỆU THAM KHẢO 70

PHỤ LỤC 72

IV

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan bản luận văn tốt nghiệp: “Nghiên cứu bộ nguồn Front-End, cộng hưởng LLC” do tôi tự thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy giáo TS Trần

Trọng Minh Để hoàn thành luận văn này, tôi chỉ xử dụng những tài liệu được ghi

trong dang mục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác Nếu phát hiện có sự sao chép tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

Hà Nội, ngày 24 tháng 09 năm 2013

Học viên thực hiện

Lê Thanh Hà

I

V

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor

VI

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1 Thông số mạch mô phỏng sử dụng Matlab simulink 44 Bảng 2 Các trường hợp áp dụng với các loại tín hiệu đầu vào tương ứng khi sử dụng lệnh Frestimate 52 Bảng 3 Các lệnh sử dụng tạo tín hiệu Sinestream với hệ liên tục và gián đoạn 53

VII

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Cấu trúc bộ nguồn phân tán [4] 2

Hình 1.2 Sơ đồ khối bộ biến đổi Front-End 2

Hình 1.3 Ví dụ về một bộ Front-end với khối PFC và bộ biến đổi DC – DC [5] 3

Hình 1.9 Sơ đồ bộ biến đổi cộng hưởng nối tiếp[2] 8

Hình 1.10 Dạng sóng mô phỏng của bộ SRC [2] 9

Hình 1.11 Đặc tính khuếch đại một chiều bộ SRC[2] 9

Hình 1.12 Sơ đồ bộ biến đổi cộng hưởng song song PRC[2] 11

Hình 1.14 Đặc tính khuyếch đại một chiều bộ cộng hưởng song song[2] 11

Hình 1.15 Sơ đồ bộ biến đổi cộng hưởng SPRC[2] 13

Hình 1.16 Dạng sóng mô phỏng của bộ biến đổi SPRC[2] 13

Hình 1.17 Đặc tính khuếch đại một chiều bộ LCC[2] 14

Hình 2.1 Bộ biến đổi cộng hưởng LLC 16

Hình 2.2 Khối cộng hưởng LCC và LLC 16

Hình 2.3 Cấu trúc bộ biến đổi bên sơ cấp[11] 17

Hình 2.4 Cấu trúc chỉnh lưu bên thứ cấp[11] 18

Hình 2.5 Sơ đồ mạch điện biến đổi máy biến áp tương đương cho bộ biến đổi LLC[1] 19

Hình2.5 Hệ số biến đổi điện áp M phụ thuộc tần số làm việc[1] 21

Hình 2.6 Hệ số M phụ thuộc  = L r /L m [1] 21

Hình 2.7 Hệ số biến đổi M phụ thuộc tải [1] 22

Hình 2.7 Trở kháng tổng Z in phụ thuộc tần số[1] 23

Hình 2.7 Vùng làm việc có thể lựa chọn[1] 24

Hình 2.8 Sơ đồ mạch điện cho việc phân tích chế độ làm việc bộ biến đổi 25

Hình 2.9 Mạch điện LLC trong khoảng thời gian t < t 0 26

Hình 2.10 Mạch điện LLC trong khoảng thời gian t 0 tới t 1 26

Hình 2.11 Mạch điện LLC tại khoảng thời gian t 1 tới t 2 27

Hình 2.12 Mạch điện LLC tại khoảng thời gian t 2 tới t 3 27

Hình 2.13 Mạch điện LLC tại khoảng thời gian t 3 tới t 4 28

VIII

Hình 2.14 Dạng sóng hoạt động bộ biến đổi cộng hưởng LLC[1] 28

Hình 2.15 Dạng sóng hoạt động bộ biến đổi cộng hưởng LLC dưới tần số cộng hưởng[1] 29

Hình 2.16 Dạng sóng hoạt động bộ biến đổi cộng hưởng LLC trên tần số cộng hưởng[1] 30

Hình 3.1 Các tín hiệu vào ra với đối tượng bộ biến đổi 32

Hình 3.2 Định nghĩa chu kỳ xung 33

Hình 3.3 Sơ đồ cấu trúc điều khiển PWM 34

Hình 3.4 Cấu trúc điêù khiển dịch pha 34

Hình 3.5 Điều khiển dịch pha với sơ đồ full bridge bộ biến đổi cộng hưởng LLC[13] 35

Hình 3.6 Dạng sóng của điều khiển dịch pha của sơ đồ cầu[13] 35

Hình 3.7 Dạng sóng mô phỏng chu kỳ xung (Trên là điện áp giữa A và B ; giữa là điện áp thứ cấp biến áp ; dưới là dòng điện điện cảm I Lr và I Lm )[13] 36

Hình 3.8 Sơ đồ cấu trúc điều khiển tần số 37

Hình 4.2 Mô hình mô phỏng bộ biến đổi LLC sử dụng Matlab Simulink 43

Hình 4.2 Đặc tính khuếch đại bộ biến đổi LLC ứng với tải định mức và

50%Idm 44

Hình 4.3 Vùng hoạt động của bộ biến đổi LLC tương ứng với 4 điểm làm việc A, B, C, D 46

Hình 4.4 Mạch thiết lập cho mô phỏng bước 1[5] 45

Hình 4.5 Mạch thiết lập cho mô phỏng bước hai[5] 46

Hình 4.6.Mô tả đáp ứng tần số 48

Hình 4.7 Mô hình ước lượng đáp ứng tần số 49

Hình 4.8 Tín hiệu vào ra cho việc ước lượng đáp ứng tần số 50

Hình 4.9 Dạng của tín hiệu Sinestreams 51

Hình 4.10 Định nghĩa các thông số tín hiệu Sinestream 52

Hình 4.11 Mô tả ước lượng đáp ứng tần số 53

Hình 4.12 Phần SettlingPeriods trong tín hiệu vào/ra 53

IX

Hình 4.13 Mô tả khoảng thời gian dùng cho việc ước lượng 54

Hình 4.14 Bước 1 quá trình mô phỏng 55

Hình 4.15 Bước 2 quá trình mô phỏng 55

Hình 4.16 Bước 3 quá trình mô phỏng 56

Hình 4.17 Bước 4 quá trình mô phỏng 56

Hình 4.18 Bước 5 quá trình mô phỏng 57

Hình 4.19 Dạng tín hiệu Sinestream 57

Hình 4.19 Bước 6 quá trình mô phỏng 58

Hình 4.20 Đồ thị Bode tại điểm làm việc A với tần số f = 70 kHz, tải định mức 60

Hình 4.15 Đồ thì Bode tại điểm làm việc B với tần số f= 110 kHz, tải định mức 59 Hình 4.16 Đồ thì Bode tại điểm làm việc C với tần số f= 70 kHz ,50%Idm 59

Hình 4.17 Đồ thì Bode tại điểm làm việc D với tần số f= 140 kHz, 50%Idm 60

Hình 4.18 Hệ thống điểm cực và điểm không của bộ biến đổi LLC ở các vùng 1 với tần số khác nhau [5] 61

Hình 4.19 Hệ thống điểm cực và điểm không của bộ biến đổi LLC ở các vùng 2 với tần số khác nhau [5] 61

Hình 4.20 Sơ đồ mô phỏng với mạch vòng phản hồi 64

Hình 4.21 Đáp ứng điện áp trên tải với sự thay đổi của điện áp đầu vào và sự thay đổi của tải 64

Hình 4.22 Đáp ứng dòng điện tải ứng với sự thay đổi của điện áp đầu vào và sự thay đổi của tải 65

Hình 4.23 Điện áp đầu vào khối VCO 65

Hình 4.24 Dòng điện và điện áp đầu vào khối cộng hưởng

X

MỞ ĐẦU

Hiện nay, phần lớn các nguồn sử dụng cho việc xử lý dữ liệu với tốc độ và công suất tăng khi điện áp có thể giảm xuống dưới 3V, thậm trí là 2V dẫn đến yêu cầu về nguồn xử lý mới cũng phải phức tạp hơn Vì vậy nguồn phân tán ra đời như

là một yêu cầu tất yếu của sự phát triển, với những tính năng vượt trội nguồn phân tán với thành phần chính là bộ biến đổi Front-end đang ngày càng được ứng dụng rông rãi trong công nghiệp cũng như đời sống hàng ngày

Để đạt được mật độ công suất cao và cấu hình nhỏ gọn, bộ nguồn cần phải cung cấp được hiệu suất cao và có tần số chuyển mạch cao Thành phần bộ biến đổi

DC – DC trong bộ nguồn đóng một vai trò quan trọng trong việc quyết định hiệu suất của bộ nguồn Trong khuôn khổ luận văn này tôi chọn việc phân tích,tìm hiểu

về bộ biến đổi cộng hưởng LLC vì nó có những ưu điểm vô cùng nổi bật như: hiệu suất cao, tổn hao chuyển mạch thấp; điện cảm từ hòa tích hợp trong máy biến áp và

ta có thể bỏ được điện cảm lọc ở phía thứ cấp dẫn đến kích thước nhỏ gọn, dễ tích hợp

Bộ biến đổi cộng hưởng LLC là một đối tượng có tính phi tuyến mạnh, chính

vì vậy việc xây dựng hàm truyền đối tượng và phân tích đặc tính của nó để tìm bộ điều chỉnh cũng rất phức tạp Đã có nhiều công trình,bài báo trong thời gian gần đây nghiên cứu giải quyết về vấn đề này, ví dụ: phương pháp PWM, phương pháp PSM, phương pháp sử dụng hàm mô tả, Ở đây tôi chọn phương pháp mô phỏng trên miền thời gian để tìm đáp ứng tần số tín hiệu nhỏ của bộ biến đổi

Phương pháp mô phỏng là một phương pháp hay, tiết kiệm chi phí cũng như thời gian, dễ dàng thay đổi thông số cài đặt Để xây dựng được đáp ứng tần số của

bộ biến đổi ứng với tín hiệu nhỏ tôi dùng phương pháp ước lượng đáp ứng tần số bằng cách sử dụng lệnh Frestimate trong Matlab Simulink Kết quả thu được là tương đối khả quan

Cấu trúc luận văn gồm có 4 chương:

XI

Chương 1 Tổng quan – Chương này cung cấp một cái nhìn tổng quát về bộ

nguồn phân tán, các bộ biến đổi DC – DC, ưu nhược điểm của các bộ biến đổi cộng hưởng

Chương 2 Bộ biến đổi cộng hưởng LLC – trình bày về cấu trúc, nguyên lý

hoạt động, các vùng làm việc và các chế độ làm việc của bộ biến đổi LLC, từ đó thấy được các ưu điểm của bộ biến đổi này

Chương 3 Các phương pháp điều khiển bộ biến đổi – Giới thiệu về các

phương pháp điều khiển bộ biến đổi cộng hưởng LLC, ưu nhược điểm của từng phương pháp

Chương 4 Mô phỏng xây dựng đặc tính tần số tín hiệu nhỏ – Tiến hành mô phỏng bộ biến đổi cộng hưởng LLC, từ đó đưa ra đáp ứng tần số tín hiệu nhỏ của bộ biến đổi; phân tích đáp ứng làm cơ sở cho việc thiết kế bộ điều chỉnh

Trong một khoảng thời gian ngắn,tác giả đã cố gắng tìm hiểu, phân tích từ đó đưa ra phương pháp ước lượng đáp ứng tần số với tín hiệu nhỏ của bộ biến đổi

Tuy nhiên,đây là một lĩnh vực khó, khối lượng kiến thức phải tìm hiểu lớn nên không tránh khỏi thiếu sót Tác giả rất mong nhận được ý kiến đóng góp của người đọc để luận văn được hoàn thiện hơn

Qua đây tác giả cũng xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS Trần Trọng Minh, các thầy cô trong bộ môn tự động hóa xí nghiệp đã nhiệt tình hướng dẫn, giúp đỡ tác giả trong quá trình thực hiện đề tài

Hà Nội, ngày 24 tháng 09 năm 2013

Học viên thực hiện

Lê Thanh Hà

XII

1

1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BỘ NGUỒN PHÂN TÁN

1.1 Giới thiệu về bộ nguồn phân tán với cấu trúc AC-DC-AC-DC

Trong khi kỹ thuật vi xử lý ngày càng phát triển không ngừng, các mức điện

áp được giảm xuống và yêu cầu về dòng điện và nguồn tăng lên Như điều tất yếu,công suất lớn hơn, các hệ thống số gọn nhẹ đang trở nên sẵn có Với những thay đổi tuyệt vời trong mạch hệ thống số cũng đặt ra những thách thức trong việc quản lý nguồn phát Thử thách này đến từ vài khía cạnh thay đổi của hệ thống số Đầu tiên là nhiều phần tử bán dẫn được tích hợp trong mạch chip, nguồn yêu cầu cho hoạt động chíp tăng lên rất nhanh Thứ hai, với các chất bán dẫn hoạt động ở tần số cao,điện áp cung cấp có thể giảm trong thời gian rất nhanh và yêu cầu điều chỉnh khó khăn.Thứ ba, khi công nghệ mạch tích hợp quy mô lớn phát triển nhanh, yêu cầu về hệ thống nguồn cung cấp cũng phát triển tương ứng Hệ thống nguồn phân tán đang ngày càng thay thế hệ thống nguồn tập trung khi mà các sản phẩm ngày càng tăng về kích cỡ và công suất,trong khi mức điện áp ngày càng tăng Những yêu cầu về nguồn cho các hệ thống quân sự và thương mại,ví dụ như các máy tính lớn và hệ thống điện tàu thủy,tàu vũ trụ, viễn thông… ngày càng tăng và trở nên phức tạp bởi vì các hệ thống phải chạy đua với việc tinh toán và lưu trữ dữ liệu và khả năng phục hồi ở tốc độ cao hơn và chi phí thấp hơn Các hệ thống nguồn tập trung với chi phí thấp và đơn giản, nhưng ít có khả năng cải thiện hiệu suất và chất lượng nguồn Mà trong hiện tại và tương lai, phần lớn các nguồn sử dụng cho việc xử lý dữ liệu với tốc độ và công suất tăng khi điện áp có thể giảm xuống dưới 3V, thậm trí là 2V dẫn đến yêu cầu về nguồn xử lý mới cũng phải phức tạp hơn Vì vậy nguồn phân tán ra đời như là một yêu cầu tất yếu của sự phát triển, với những tính năng vượt trội nguồn phân tán đang ngày càng được ứng dụng rông rãi trong công nghiệp cũng như đời sống hàng ngày Thành phần chính của nguồn phân tán là

bộ biến đổi front-end Cấu trúc hệ thống nguồn DPS được trình bày trong hình 1.1,

nó được ứng dụng rộng dãi để phục vụ cho các hệ thống nguồn viễn thông (đại diện

2

cho hệ thống số tiên tiến nhất) Trong hệ thống DPS, nguồn cấp qua hai khâu điện

áp Đầu tiên, nguồn đầu vào xoay chiều AC được lọc qua bộ biến đổi sang khâu điện áp 400V một chiều trung gian Điện áp một chiều thu được qua bộ biến đổi theo cơ chế DC/AC/DC sang nguồn một chiều 48V(hoặc 24V) Từ nguồn một chiều 48V được phân phối xuống tải,có thế qua khâu bus trung gian xuống 12V tùy theo yêu cầu phụ tải

Hình 1.1 Cấu trúc bộ nguồn phân tán [4]

Thành phần quan trọng nhất của hệ thống nguồn phân tán là bộ front-end converter, đóng vai trò chính trong khái niệm về hệ thống nguồn phân tán Sau đây

là cấu trúc bộ front-end converter Bộ font-end converter gồm hai thành phần: Bộ điều chỉnh hệ số công suất PFC (Power factor correction) và bộ biến đổi DC/DC hợp thành:

Hình 1.2 Sơ đồ khối bộ biến đổi Front-End

Bộ PFC biến đổi điện áp xoay chiều 220V thành điện áp một chiều 400V, từ điện áp một chiều qua bộ DC/DC biến đổi xuống cấp điện áp nhỏ hơn cung cấp cho mạch Sau đây tác giả đi vào giới thiệu tổng quan về hai khối này

3

1.2 Điều chỉnh hệ số công suất (Power Factor Correction)

Hình 1.3 Ví dụ về một bộ Front-end với khối PFC và bộ biến đổi DC – DC [5]

1.2.1 Giới thiệu chung về điều chỉnh hệ số công suất

Điều chỉnh hệ số công suất là bộ nắn dòng tích cực để chuyển tín hiệu xoay chiều (AC) từ đầu vào thành tín hiệu một chiều ở đầu ra Nó cung cấp một công suất phản kháng tương ứng và đối nghịch lại với công suất phản kháng được tạo ra của thiết bị, nhằm triệt tiêu công suất phản kháng và tăng hệ số công suất

tacdung toanphan

1.2.2 Các phương pháp nâng cao hệ số công suất

(a) Điều chỉnh hệ số công suất tuyến tính

Điều chỉnh PFC truyến tính áp dụng cho các thiết bị tiêu thụ trực tiếp điện áp lưới Việc điều chỉnh có thể đạt được bằng việc thêm vào hay bớt ra các cuộn dây

4

hay tụ điện cho thiết bị Như động cơ mang tính cảm kháng có thể điều chỉnh PFC bằng việc đấu thêm một tụ song song cuộn dây vận hành nhằm giúp triệt tiêu công suất phản kháng, làm giảm công suất biễu kiến và tăng hệ số PF Thiết bị điều chỉnh

hệ số công suất không những được áp dụng trong ngành công nghiệp điện mà nó còn có thể sử dụng với người dùng cá nhân khi muốn làm giảm tổn hao trên đường truyền và ổn định điện áp cho tải

(b) Điều chỉnh hệ số công suất phi tuyến

Tải phi tuyến thường là dạng tải chỉnh lưu, không sử dụng trực tiếp từ điện xoay chiều mà nắn lại thành dạng điện một chiều-chỉnh lưu như các bộ nguồn máy tính (PSU), adaptor,…hay các thiết bị sử dụng năng lượng gián đoạn-liên tục như máy hàn, bóng đèn huỳnh quanh, các thiết bị này trong quá trình tiêu thụ năng lượng còn tạo ra các dạng sóng hài có tần số là bội số của tần số điện lưới, chèn vào tần số điện lưới

 Điều chỉnh hệ số công suất thụ động

Phương pháp điều chỉnh hệ số công suất thụ động đơn giản chỉ là sử dụng một bộ lọc, bộ lọc này chỉ cho qua dòng điện có tần số bằng với tần số điện lưới (50Hz hoặc 60Hz) và chặn không cho các tần số sóng hài đi qua Lúc này tải phi tuyến tính có thể xem như một tải tuyến tính, hệ số công suất đã được nâng cao hơn Tuy nhiên yêu cầu cần phải có cuộn cảm có giá trị cảm kháng lớn đã làm cho

bộ lọc cồng kềnh và có giá thành cao, nhưng thực tế với mạch Passive PFC có cuộn dây tuy lớn hơn cuộn dây của mạch điều chỉnh hệ số công suất tích cực Active PFC nhưng giá thành chung lại rẻ hơn Đây là một phương pháp đơn giản và rẻ tiền

để điều chỉnh hệ số công suất và làm giảm sóng hài tuy nhiên nó lại không hiệu quả bằng phương pháp điều chỉnh hệ số công suất tích cực

 Điều chỉnh hệ số công suất tích cực

Là một hệ thống điện tử công suất có chức năng kiểm soát năng lượng cung cấp cho tải, điều chỉnh hệ số công suất ở mức tốt nhất trên mọi mức tải Trong thiết kế thực tế, mạch Active PFC điều khiển dòng nạp cho tải sao cho dạng sóng

5

của dòng vào cùng pha với dạng sóng ở đầu vào (ở đây là sóng sin) Về cơ bản có

3 dạng mạch Active PFC được sử dụng; Boost, Buck và Buck-Boost

(c) Chỉnh lưu tích cực

Chỉnh lưu là các bộ biến đổi bán dẫn công suất, dùng để biến đổi nguồn điện

áp xoay chiều thành nguồn điện áp một chiều, cung cấp cho các phụ tải một chiều Các sơ đồ chỉnh lưu truyền thống sử dụng các van không điều khiển như diode hoặc điều khiển không hoàn toàn như thyristor, có nhược điểm là dòng đầu vào không có dạng sin và hệ số công suất thấp, ảnh hưởng đến các phụ tải khác trong lưới điện và làm tăng tổn thất trên lưới nói chung Ngày nay, cùng với sự xuất hiện các phần tử bán dẫn điều khiển hoàn toàn như IGBT, GTO, với khả năng đóng cắt dòng điện lớn, chịu được điện áp cao, thì việc xây dựng các bộ chỉnh lưu với dòng đầu vào hình sin, hệ số công suất điều chỉnh được đến bằng một, đã hoàn toàn có thể thực hiện được Đây gọi là các bộ chỉnh lưu tích cực – CLTC

CLTC không hoàn toàn thay thế các chỉnh lưu thông thường nhưng được áp dụng rộng rãi trong các mạch lọc tích cực, các hệ thống truyền tải điện xoay chiều thông minh (Flexible Alternative Current Transmission – FACT), trong các loại bộ nguồn chất lượng cao Hơn nữa, CLTC còn có khả năng trao đổi công suất giữa tải với lưới theo cả hai chiều nên CLTC cũng là phần đầu vào một chiều cho các biến tần bốn góc phần tư, gọi là biến tần 4Q Các CLTC đều áp dụng phương pháp biến điều bề rộng xung để điều chỉnh điện áp phía một chiều nên còn gọi là các chỉnh lưu PWM (Pulse Width Modulation – PWM)

Các phân tích chi tiết về các loại chỉnh lưu tích cực này đã được trình bày chi tiết trong [5], luận văn này tôi chỉ nêu các khái niệm cơ bản về điều chỉnh hệ số công suất

1.3 Bộ biến đổi nguồn DC – DC

Các bộ biến đổi nguồn DC-DC có những ứng dụng rất rộng rãi Trong hệ thống cấp nguồn phân tán, các bộ biến đổi DC-DC cần thiết khi nguồn một chiều có trên hệ thanh cái DC cần được biến đổi thành các cấp điện áp phù hợp với yêu cầu

1.3.1 Bộ biến đổi DC - DC không cách ly

Có 3 loại cơ bản:

 Bộ biến đổi giảm áp (Buck Converter)

 Bộ biến đổi tăng áp (Boost Converter)

 Bộ biến đổi có thể tăng, giảm áp và lật lại cực tính điện áp (Buck Boost Converter)

 Ƣu điểm:

 Những bộ biến đổi kiểu này là: kết cấu đơn giản, dễ thực hiện,chi phí giá thành rẻ

 Nhƣợc điểm:

 Không cách ly được tín hiệu giữa đầu ra và đầu vào

 Tổn hao chuyển mạch lớn,hiệu suất không cao

 Công suất thấp

1.3.2 Bộ biến đổi DC – DC có cách ly

Các bộ biến đổi nguồn DC - DC ở trên không cách ly, nghĩa là có điểm chung giữa đầu ra và đầu vào Trong một loạt các ứng dụng yêu cầu về cách ly là bắt buộc, nhất là vì lý do an toàn Ví dụ các bộ nguồn cho các thiết bị cầm tay như máy tính, điện thoại di động, các thiết bị điều khiển,… Các bộ nguồn cho các thiết

bị loại này có thể cần công suất rất nhỏ, vài Watt đến vài chục Watt nhưng cần có kích thước nhỏ gọn, thích ứng với dải điện áp đầu vào thay đổi trong dải rộng Đây cũng là những yêu cầu đặt ra đối với các bộ biến đổi nguồn DC-DC cách ly Hơn nữa khi chênh lệch giữa đầu vào, đầu ra rất lớn thì những bộ biến đổi không cách ly không thể thực hiện được vì khi đó sẽ cần đến hệ số điều chế D rất nhỏ, nghĩa là độ

7

rộng xung để phối hợp mức điện áp là điều bắt buộc để các bộ biến đổi có thể làm việc trong chế độ tương đối bình thường, loại trừ những khoảng thời gian dẫn hoặc khoá quá nhỏ Các cấu trúc cơ bản của bộ biến đổi DC – DC cách ly bao gồm:

 Flyback Converter

 Forward Converter

 Bộ biến đổi DC - DC cầu một pha (Full Bridge DC-DC Converter)

 Bộ biến đổi DC - DC sơ đồ nửa cầu(Half ridge DC-DC Converter)

 Sơ đồ đẩy kéo (Push – Pull Converter)

Các bộ biến đổi cộng hưởng tránh được các nhược điểm trên đây Do có mạch vòng cộng hưởng trong mạch bộ biến đổi, điện áp hoặc dòng điện có dạng hình sin Các van sẽ chuyển mạch trong điều kiện hoặc dòng qua không (Zero Current Switching - ZCS), hoặc khi điện áp trên van qua không (Zero Voltage

8

Switching- ZVS), gọi chung là chuyển mạch mềm (Soft Switching) Tổn hao do chuyển mạch giảm đáng kể Điều này dẫn đến các bộ biến đổi cộng hưởng có thể được thiết kế hoạt động với tần số cao hơn, kích thước nhỏ gọn hơn, đạt được hiệu suất cao, từ 90% đến 98%

Các phân tích sâu về các bộ biến đổi này đã được trình bày chi tiết trong tài liệu[1][2][11], ở đây tôi chi nêu lại cấu hình và phân tích ưu nhược điểm của mỗi loại từ đó chọn bộ biến đổi tối ưu cho bộ nguồn Front-end

(a) Bộ biến đổi cộng hưởng nối tiếp (Series Resonant Converter)

Sơ đồ của bộ biến đổi được trình bày ở hình 1.9 Điện cảm cộng hưởng Lr

và tụ điện cộng hưởng Cr được mắc nối tiếp để tạo thành khối cộng hưởng Khối cộng hưởng được mắc nối tiếp với tải Từ cấu hình này, khối cộng hưởng và tải hoạt động như bộ chia điện áp Bằng cách thay đổi tần số của điện áp đầu vào Va, tổng trở của khối cộng hưởng sẽ thay đổi Vì hoạt động như bộ chia điện áp, hệ số khuếch đại điện áp luôn nhỏ hơn 1 Tại tần số cộng hưởng, tổng trở của khối cộng hưởng sẽ rất nhỏ, tất cả điện áp đầu vào rơi trên tải Bởi vậy với bộ SRC hệ số điện

áp lớn nhất xảy ra ở tần số cộng hưởng

Thông số mạch như sau: Tỉ số máy biến áp n = 5/2; điện cảm cộng hưởng

Lr = 37 uH; tụ điện cộng hưởng Cr = 17 nF;

Đặc tính và vùng hoạt động của bộ SRC như ở trên hình 1.11

Hình 1.9 Sơ đồ bộ biến đổi cộng hưởng nối tiếp[2]

9

Hình 1.10 Dạng sóng mô phỏng của bộ SRC [2]

Hình 1.11 Đặc tính khuếch đại một chiều bộ SRC[2]

Với những thông số trên Q thay đổi từ 6 (đầy tải) tới 0 (không tải) Vùng hoạt động của bộ biến đổi được chỉ ra trên hình 1.11, dạng sóng mô phỏng được chỉ

ra trên hình 1.10 Ta có một vài nhận xét sau:

Vùng hoạt động là vùng bên phải tần số cộng hưởng fr Điều này bởi vì chuyển mạch ZVS được ưu tiên cho bộ biến đổi này Khi tần số chuyển mạch thấp hơn tần số cộng hưởng, bộ biến đổi làm việc dưới điều kiện ZCS Thực tế, khi độ dốc của đặc tính hệ số khuếch đại tĩnh là âm; bộ biến đổi làm việc dưới điều kiện chuyển mạch điện áp không Khi độ dốc đặc tính hệ số khuếch đại tĩnh là dương, bộ biến đổi làm việc dưới điều kiện dòng điện không Vùng hoạt động khi tải nhẹ, tần

số chuyển mạch cần thiết tăng cao để giữ điều chỉnh điện áp ra Đây là vấn đề lớn

 Không thể điều chỉnh đầu ra được ở chế độ không tải

 Dòng điện chỉnh lưu đập mạch(đầu ra của tụ điện) hạn chế cho ứng dụng dòng điện đầu ra cao

 Có thể tận dụng đặc tính tại một điểm làm việc nhưng không phải với dải điện áp đầu vào rộng và tải thay đổi

 Nhận xét:

 Với những phân tích trên ta có thể thấy bộ biến đổi SRC không phải là

sự lựa chọn tốt cho bộ biến đổi front-end DC/DC Vì các vấn đề chính là: điều chỉnhkhông tải, năng lượng truyền trong mạch cao và dòng điện ngắt van trong điều kiện điện áp đầu vào cao

(b) Bộ cộng hưởng song song (Parallel Resonant Converter)

Sơ đồ bộ biến đổi song song được trình bày như hình 1.6, ta nhận thấy khối cộng hưởng vẫn mắc nối tiếp, nó được gọi là bộ biến đổi cộng hưởng song song bởi

vì trong trường hợp này tải mắc song song với tụ điện cộng hưởng Chính xác hơn, nên gọi là bộ biến đổi cộng hưởng nối tiếp với tải song song Bởi vì phía sơ cấp máy biến áp là tụ điện nên một điện cảm được mắc thêm vào mạch thứ cấp để phù hợp với điện kháng

Hình 1.13 Dạng sóng mô phỏng của bộ biến đổi PRC[2]

Hình 1.14 Đặc tính khuyếch đại một chiều bộ cộng hưởng song song[2]

Với những thông số trên, dải thay đổi của Q của bộ biến đổi là từ 3 (đầy tải) tới ∞ (không tải) Vùng hoạt động của bộ PRC được chỉ ra trên hình 1.14, dạng sóng mô phỏng chỉ ra trên hình 1.13 Ta có một vài nhận xét sau:

12

Tương tự như bộ biến đổi SRC, vùng hoạt động của bộ biến đổi được thiết kế bên phải của tần số cộng hưởng để đạt ZVS So sánh với bộ SRC, vùng hoạt động của bộ PRC nhỏ hơn Khi tải nhẹ, tần số không cần thay đổi nhiều để giữ điều chỉnh điện áp ra Vì vậy vấn đề điều chỉnh khi tải nhẹ không tồn tại trong bộ PRC

Tương tự như bộ SRC, bộ biến đổi làm việc gần tần số cộng hưởng ở 300 V

Ở điện áp đầu vào cao, bộ biến đổi làm việc ở tần số cao hơn tần số cộng hưởng

Tuy nhiên, vấn đề với bộ PRC là năng lượng lan truyền trong mạch rất cao

kể cả ở chế độ không tải Bởi vì tải mắc song song với tụ cộng hưởng, ở chế độ không tải, đầu vào vẫn có một lượng trở kháng nhỏ vừa phải của khối cộng

hưởng nối tiếp Điều này gây ra năng lượng lan truyền trong mạch cao cả khi ở chế

độ không tải

 Ưu điểm:

 Không vấn đề đối với việc điều chỉnh đầu ra ở chế độ không tải

 Dòng điện chỉnh lưu liên tục (đầu ra cuộn cảm) thích hợp cho các ứng dụng dòng điện đầu ra cao

 Nhược điểm:

 Dòng điện phía sơ cấp độc lập với các điều kiện của tải, dòng điện đáng kể có thể lan truyền trong mạch cộng hưởng, kể cả ở chế độ không tải

 Dòng điện lan truyền tăng lên khi điện áp đầu vào tăng dẫn đến hạn chế đối với dải điện áp đầu vào rộng

 Nhận xét:

 Với những phân tích trên, chúng ta thấy bộ PRC cũng không phải là một sự lựa chọn tốt cho bộ front-end DC - DC Vấn đề chính là năng lượng lan truyền trong mạch cao và dòng ngắt van lớn ở điều kiện điện áp đầu vào cao

(c) Bộ biến đổi cộng hưởng nối tiếp-song song(Series-Parallel Resonant Converter)

Hay còn gọi là bộ biến đổi cộng hưởng LCC Sơ đồ bộ biến đổi cộng hưởng

13

SPRC được trình bày ở hình 1.15, khối cộng hưởng của nó bao gồm ba thành phần cộng hưởng: Lr, Cs và Cp Khối cộng hưởng của LCC có thể coi như sự kết hợp của hai bộ SRC và PRC Tương tự như bộ PRC, một điện cảm lọc ra phía thứ cấp được mắc thêm vào để cân bằng trở kháng Đối với bộ SPRC, nó kết hợp các đặc tính tốt của bộ SRC và PRC, với tải mắc nối tiếp với mạch nối tiếp Lr, Cs Năng lượng lan truyền nhỏ hơn bộ PRC Với tụ mắc song song Cp, điện áp đầu ra có thể điều chỉnh được ở chế độ không tải

Thông số mạch điện mô phỏng như sau: Tỉ số máy biến áp n = 6:1; Điện cảm cộng hưởng Lr = 72 uH; tụ điện cộng hưởng nối tiếp Csr = 17.7 nF; tụ điện cộng hưởng song song Cpr = 17.7 nF; Dải điều chỉnh của Q từ 0 (đầy tải) tới ∞ (không

tải)

Hình 1.15 Sơ đồ bộ biến đổi cộng hưởng SPRC[2]

Hình 1.16 Dạng sóng mô phỏng của bộ biến đổi SPRC[2]

14

Hình 1.17 Đặc tính khuếch đại một chiều bộ LCC[2]

Tương tự như bộ SRC và bộ PRC, vùng hoạt động của bộ biến đổi cũng được thiết kế nằm ở bên phải tần số cộng hưởng để đạt chuyển mạch điện áp không Từ vùng hoạt động của bộ biến đổi, tần số chuyển mạch thay đổi hẹp với sự thay đổi của tải trọng khi so sánh với bộ SRC

So sánh dạng sóng, dòng điện đầu vào nhỏ hơn bộ PRC và lớn hơn một chút so với bộ SRC Điều này có nghĩa năng lượng lan truyền giảm so với bộ PRC Tương tự như với SRC và PRC, bộ biến đổi làm việc gần tần số cộng hưởng ở điện áp vào 300 V

 Ƣu điểm:

 Năng lượng lan truyền trong mạch nhỏ hơn bộ PRC

 Kết hợp các đặc tính tốt của hai bộ biến đổi cộng hưởng SRC và PRC Năng lượng lan truyền trong mạch nhỏ và không bị ảnh hưởng nhiều bởi sự thay đổi của tải

15

tốt của 2 bộ SRC và PRC Năng lượng lan truyền nhỏ hơn và không bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi của tải Tuy nhiên, với dải điện áp đầu vào rộng, tổn thất chuyển mạch và dẫn điện sẽ tăng với điện áp đầu vào cao

 Qua việc phân tích và đánh giá ba bộ biến đổi cộng hưởng SRC, PRC, SPRC ta nhận thấy cả ba bộ biến đổi cộng hưởng này đều không đạt hiệu suất cao ở dải điện áp đầu vào cao, điều này sẽ dẫn đến tổn thất dẫn điện và tổn thất chuyển mạch

1.4 Kết luận chương

Chương này tác giả đã giới thiệu tổng quan về bộ nguồn front-end với cấu trúc AC–DC–AC–DC, các thành phần chính của bộ nguồn như: bộ điều chỉnh hệ số công suất, bộ biến đổi DC-DC trong bộ nguồn

Ba cấu hình bộ biến đổi cộng hưởng truyền thống vừa phân tích ở trên, ta thấy chung đều có nhược điểm khi thiết kế với đầu vào biến đổi rộng Năng lượng tuần hoàn và tổn hao chuyển mạch sẽ xảy ra với điện áp đầu vào cao Để giải quyết vấn đề này, bộ biến đổi cộng hưởng LLC được đưa ra phân tích ở chương sau

16

CHƯƠNG 2

BỘ BIẾN ĐỔI CỘNG HƯỞNG LLC

2.1 Giới thiệu chung

Trong những năm gần đây, bộ biến đổi cộng hưởng LLC đóng vai trò ngày càng tăng trong các bộ cộng hưởng thông dụng Các thành phần ký sinh có thể đóng vai trò trong bộ cộng hưởng giúp giảm toàn dung lượng của thành phần từ hóa Do vậy, điều kiện chuyển mạch mềm từ không tải đến toàn tải đạt được Ưu điểm khác của bộ LLC là có thể dễ dàng thiết kế với dải điện áp đầu vào rộng mà vẫn đạt được

hệ số nguồn và hiệu suất cao Với những ưu điểm đó, bộ biến đổi LLC thường được

áp dụng cho những ứng dụng bộ nguồn Front - end như bộ nguồn điện cho viễn thông, nguồn cho các thiết bị máy tính, laptop (adaptor), thiết bị điện tử …

Hình 2.1 Bộ biến đổi cộng hưởng LLC

Sơ đồ mạch bán cầu bộ biến đổi cộng hưởng LLC được trình bày như hình 2.7, điện cảm Lr và tụ Cr mắc nối tiếp tạo thành khối cộng hưởng nối tiếp, Lm mắc song song với tải Về cấu tạo, bộ biến đổi LLC chỉ khác bộ biến đổi LCC ở các thành phần L, C hoán đổi vị trí trong khối cộng hưởng

Hình 2.2 Khối cộng hưởng LCC và LLC

Từ cách hoán đổi vị trí các thành phần cộng hưởng, ta có tần số cộng hưởng khác nhau dẫn đến hiệu suất các bộ cộng hưởng cũng khác nhau Những phân tích chi tiết

17

về bộ biến đổi LLC sẽ được trình bày sau đây Bộ biến đổi cộng hưởng LLC có thể thay đổi chuyển mạch van bên sơ cấp bằng 3 sơ đồ half bridge, full bridge, two switch toward

Hình 2.3 Cấu trúc bộ biến đổi bên sơ cấp[11]

Bộ biến đổi LLC cũng có thể thay đổi sơ đồ bên phía chỉnh lưu thứ cấp để tạo thành các mạch half wave rectifier, full bridge rectifier, center tapped rectifier, current doubler rectifier Tùy vào yêu cầu bài toán mà ta sẽ có cách lựa chọn, thiết kế cấu hình mạch cộng hưởng thích hợp

Hình 2.4 Cấu trúc chỉnh lưu bên thứ cấp[11]

2.2 Phân tích bộ biến đổi trong chế độ xác lập sử dụng phương pháp gần đúng sóng hài bậc nhất

Sơ đồ mạch bộ biến đổi cộng hưởng LLC như trong hình 2.1 Trước hết phần van bán dẫn có nhiệm vụ biến đổi DC-AC, nếu dùng sơ đồ van cầu một pha, đưa ra

Điện áp xoay chiều ở đầu vào chỉnh lưu điôt, là đầu ra của mạng cộng

hưởng, có dạng xung chữ nhật đối với biên độ +/- Uo, vì vậy có thành phần bậc nhất

là :

1

4 sin

2 2

Trong (2.5) hệ số 1/n là tỷ số máy biến áp Do mạng cộng hưởng là tuyến

tính nên module của hàm truyền |H(s)| chính là tỷ số giữa biên độ điện áp xoay

chiều đầu ra so với biên độ điện áp xoay chiều đầu vào U R1 /U s1 Hệ số biến đổi điện

áp M=U o /U g là module của hàm truyền đạt mạng cộng hưởng H(s) tại s=j với

=2f là tần số đóng cắt của sơ đồ Có thể biểu diễn M theo (2.6)

Như vậy sơ đồ có hai tần số cộng hưởng, p ở tần số thấp do điện cảm từ hóa

Lm tham gia vào và o ở tần số cao do chỉ có mạch cộng hưởng nối tiếp quy định

 là hệ số chất lượng của mạng cộng hưởng

Có thể biểu diễn hệ số biến đổi điện áp là một hàm phụ thuộc các tham số như sau :

Khảo sát (2.7) có thể thấy được những đặc điểm của hệ số M phụ thuộc các tham số

đã đưa ra Hệ số M phụ thuộc tần số làm việc fs như trên hình 2.5 Hình 2.6 cho thấy

sơ đồ có một điểm cộng hưởng tại tần số thấp p, tại đó M = M max Đặc biệt là tại

tần số cộng hưởng cao o, M luôn có giá trị là 1 Như vậy tất cả các đặc tính khi tải thay đổi đều đi qua điểm M = 1, f s = f o =/2

22

Trong thực tế nếu thiết kế máy biến áp với điện cảm từ hóa nhỏ thì dòng từ hóa lớn, tổn thất cũng lớn hơn Vì vậy giá trị thường chọn  = 0,1 ÷ 0,2; tức là Lm bằng từ 2 đến 10 lần Lr

Hình 2.7 cho thấy hệ số M phụ thuộc tải thông qua tham số là hệ số chất lượng Q của mạng cộng hưởng Tải tăng thì Q càng lớn, nghĩa là điện trở tải R e càng nhỏ, thì hệ số M max càng giảm, cho đến khi chỉ đạt giá trị max bằng 1 Cùng với việc tải tăng, Q tăng thì điểm cộng hưởng tần số thấp M max có xu hướng dịch

sang vùng tần số cao, tiến dần đến tần số cộng hưởng của mạch nối tiếp f o Điều này hoàn toàn phù hợp, ví dụ khi đầu ra gần ngắn mạch thì trong mạch chỉ còn lại là mạch cộng hưởng nối tiếp

Hình 2.7 Hệ số biến đổi M phụ thuộc tải [1]

Trên hình 2.7 chỉ ra sự phụ thuộc của trở kháng tổng đầu vào mạng cộng

hưởng Z in với vùng bôi đen cần quan tâm Trở kháng đầu vào có giá trị thấp nhất ở tần số cộng hưởng thấp p Vùng bôi đen ở bên phải điểm cộng hưởng này đến điểm tần số cộng hưởng cao đáng quan tâm vì bên phải tần số cộng hưởng trở kháng

23

mang tính cảm Điều này dẫn đến dòng đầu ra bộ biến đổi chậm pha so với điện áp

và các van bán dẫn có thể chuyển mạch tại điện áp bằng không (ZVS) Các ưu điểm lớn của ZVS đã được nói đến ở trên

Hình 2.7 Trở kháng tổng Z in phụ thuộc tần số[1]

Tổng hợp lại việc khảo sát các đặc tính ở trên, hình 2.7 đưa ra đặc tính của

bộ biến đổi LLC, chỉ ra vùng làm việc có thể lựa chọn Trong phạm vi điện áp

nguồn đầu vào thay đổi, từ U g, min đến U g,max ta chọn phạm vi thay đổi của hệ số biến

đổi M max đến M min Trong phạm vi phụ tải của sơ đồ thay đổi vẽ ra họ đặc tính như

ở hình 2.5 Vùng làm việc nên lựa chọn đảm bảo chế độ ZVS luôn ở bên phải về

phía tần số cao của điểm cộng hưởng Nối các đỉnh cao nhất của đặc tính M với nhau đến tận điểm M = 1 ta được vùng cho phép về phía bên phải Đặc tính hạn chế kịch ở bên phải là đặc tính ứng với phụ tải nhỏ nhất (R e lớn nhất), có đỉnh của M ở

cao nhất và gần tần số f o nhất Tóm lại vùng làm việc là vung bôi đen trên đồ thì hình 2.7

24

Hình 2.7 Vùng làm việc có thể lựa chọn[1]

Thực chất sự kết hợp của điện cảm từ hóa L m vào chế độ làm việc của mạch

cộng hưởng nối tiếp chỉ xảy ra ở vùng tần số f s < f o Từ tần số fo trở đi sơ đồ làm

việc như mạch cộng hưởng nối tiếp thông thường, với hệ số biến đổi M nhỏ hơn 1

Thực vậy, ở tần số cao trở kháng s L m sẽ có giá trị lớn, khi đó dòng từ hóa sẽ nhỏ, hầu như không ảnh hưởng gì đến sự hoạt động của mạng cộng hưởng Trong vùng

này trở kháng tổng trở Z in vẫn mang tính cảm nên chế độ ZVS vẫn được thực hiện Trong thực tế sơ đồ có thể được khởi động ban đầu với tần số cao, điện áp ra thấp, giảm được ảnh hưởng của xung động tải đối với dòng điện qua van bán dẫn, sau đó

giảm dần tần số về vùng LLC thực sự ở phía bên trái của tần số f o.

2.3 Hoạt động của bộ biến đổi cộng hưởng LLC

Phần này mô tả hoạt động của bộ biến đổi LLC tại tần số cộng hưởng Sơ đồ mạch điện thể hiện trên hình 2.8 tới hình 2.13 và đồ thị trên hình 2.14 thể hiện một

số dạng sóng quan trọng

25

Hình 2.8 Sơ đồ mạch điện cho việc phân tích chế độ làm việc bộ biến đổi

Ta sẽ đi phân tích cả hai chế độ: trên tần số cộng hưởng và dưới tần số cộng hưởng

2.3.1 Hoạt động của mạch tại tần số cộng hưởng

Chú thích cho hình 2.14:

 A: Tín hiệu điều khiển của MOSFET Q1

 B: Tín hiệu điều khiển của MOSFET Q2

 C: Dòng sơ cấp máy biến áp;có hai thành phần: dòng từ hóa và dòng cộng hưởng

 D: Điện áp UDS trên MOSFET Q1

 E: Điện áp UDS trên MOSFET Q2

 F: Dòng thứ cấp chạy trong diode D3

 G: Dòng thứ cấp chạy trong diode D4

Hoạt động của mạch được phân tích trong các khoảng thời gian lân cận

- t < t0: (hình 2.9): Q1 khóa; Q2 dẫn; D3 khóa; D4 dẫn Đây là điều kiện bắt đầu cho việc phân tích Q2 là khóa và sẽ chuyển sang mở tại thời gian t0 Điện áp rơi trên tụ C1 là Vdc

26

Hình 2.9 Mạch điện LLC trong khoảng thời gian t < t 0

- t0 < t < t1: (hình 2.10) Q1 khóa; Q2 khóa (dead time); D3 khóa, D4 khóa; Khi cả 2 van đều mở, không có năng lượng cung cấp bởi Vdc cho mạch Chỉ có dòng

sơ cấp là dòng từ hóa, im(t) không đổi trong suốt thời gian này Dòng này chạy trong 2 tụ của MOSFET, xả C1 và xạc C2 Một điểm quan trọng ở đây là dòng từ hóa phải đủ lớn để hoàn thành việc nap/xả trước khi kết thúc thời gian chết Cả 2 diodes D3 và D4 đều mở và điện áp đầu ra tụ C0 cung cấp cho tải đầu ra duy trì điện

áp V0

Hình 2.10 Mạch điện LLC trong khoảng thời gian t 0 tới t 1

- t1 < t < t2: (hình 2.11 ) Q1 chuyển từ khóa sang dẫn; Q2 khóa; D3 chuyển từ khóa sang dẫn; D4 khóa Như dự đoán ở trên, diode D1 bắt đầu tiến hành giảm điện

áp trên nó về gần 0 Q1 có thể khóa trong suốt thời gian này: điện áp rơi trên van là

0, vì vậy tổn hao khi mở rất nhỏ gần bằng 0(ZVS) Trong khi chỉ D1 dẫn, dòng so cấp bằng dòng từ hóa, không thực hiện việc truyền năng lượng Nhưng ngay lập tức